電力一次設備全壽命周期碳排放減控技術研究思路與框架

盧仰澤，張 露，任劼帥，黃澤琦，魯 非

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

中國是世界最大的碳排放國［1］，2020 年9 月習近平主席在聯合國大會上承諾中國將在2030 年前實現碳排放達峰，并在2060 年前實現碳中和［2-3］。我國電力行業(yè)自身的碳減排研究［4］、規(guī)劃工作目前主要集中在發(fā)電環(huán)節(jié)［5-8］，但是，作為電網企業(yè)電能主要載體的電力一次設備［9］，其在制造、運維、退役的全壽命周期過程中，同樣會產生碳排放［10-12］，該部分碳排放是造成電網企業(yè)碳排放量居高不下的主要原因［13］。

隨著社會對電能的用量和質量需求變高，電網線路日益復雜，電能輸送過程中，電力一次設備的碳排放將會不斷增加，且碳排放不易測定，目前電力一次設備碳排放的核算、溯源工作尚未開展。

以2020年國家電網統計數據為例：在電力傳輸過程中，2020 年全國電力線路的平均線損及SF6絕緣氣體產生的CO2直接與間接排放量高達2 億t。除此以外，原材料獲取、加工，部件總裝等設備制造工藝也存在大量碳排放，設備退役后的回收過程也需考慮碳排放。所以，電網企業(yè)的碳減排措施已不能僅僅局限于發(fā)電環(huán)節(jié)，輸變配電一次設備的碳減排工作同樣重要［14］。因此，有必要對設備全壽命周期所包括的入網前階段、運維階段、退役階段中碳排放進行核算、溯源、監(jiān)測與減控技術的研究并形成標準體系。

本文從低碳電網建設背景出發(fā)，指出當前電力一次設備碳排放評價與減控等方面標準滯后、技術欠缺。本文從電力一次設備全壽命周期所包含的入網前、運維與退役3 個階段入手，對每個階段的碳排放進行核算、溯源，形成指導設備供應鏈與設備運行維護的評價指標體系，并開展碳排放的監(jiān)測、統計技術與裝置的研究；在此基礎上，實現重點環(huán)節(jié)的碳排放減控，最終建立相應的軟硬件平臺，為電力一次設備碳排放的監(jiān)視、評價與減控工作提供理論及技術手段支撐。

1 低碳電網研究概述

1.1 碳排放評估模型建立

碳減排、碳達峰、碳中和等任何與溫室氣體管理相關的工作，都建立在依據標準規(guī)范正確核算碳排放的基礎之上，必須滿足溫室氣體可測量（Measurable）、可報告（Reportable）與可核證（Verifiable）的MRV 基本原則。

較為成熟的系統綜合評估模型根據建模方法可以分為自上而下模型、自下而上模型和綜合模型3 種類型［15］。自上而下的宏觀層面核算以IPCC（聯合國政府間氣候變化委員會）的《國家溫室氣體清單指南》為代表，主要用于國際履約，或者中央對地方政府的碳排放核算與監(jiān)督。自下而上的碳核算方式主要是以工程技術為出發(fā)點，分為基于企業(yè)、產品和項目碳核算方式，掌握各類微觀主體包括企業(yè)和消費者在生產或消費過程中的溫室氣體排放情況。

1.2 低碳電網國內研究進展

國內學者對于低碳電網建設方面的研究主要以低碳電網建設的技術途徑為主導，分別從低碳電力技術應用、低碳政策與低碳管理模式等角度對低碳電網建設進行了相關研究。

在低碳電力技術應用研究方面，丁然［16］從用電側出發(fā)，總結了電網全生命周期中低碳化的技術路線；康重慶［17］等總結了現如今國內外電網企業(yè)們實施低碳化的技術路線，并從多個維度展開討論；李瑩瑩［18］等分析低碳經濟對電網帶來的影響；曾鳴等［19］從終端節(jié)電、降低損耗等四個方面給出了智能電網支撐電力系統低碳化的詳細途徑；段立勇［20］等研究了電網企業(yè)碳排放核算與配額分配方法；朱昱坤［21］等簡單論述了電網企業(yè)實現低碳經濟的途徑。

在低碳政策研究方面，郁義鴻［22］等用估算電力需求函數的方法來估測碳稅政策的成效，提出了發(fā)電側能源結構的碳減排效果高于碳稅政策的優(yōu)化結論；劉強［23］等對電網企業(yè)在不同低碳政策下產生的碳排放量進行評估，對比了3種清潔模式下的碳排放成本，為碳減排政策的測評提供了模型。

在低碳管理模式和技術創(chuàng)新的研究中，許文秀等［24］提出了節(jié)能效益高的合同能源管理配電網低碳科學模式；吳鴻亮等［25］以電力交易的環(huán)節(jié)為切入點提出發(fā)電碳排放配額分配方法；高生偉［26］簡單探討了低碳經濟對電網規(guī)劃和發(fā)展的影響；周黎莎等［27］以低碳效益為基礎，分析了我國智能電網低碳效益的實現方法；周黎莎等［28］在另一篇文獻中構建了低碳效益評價指標體系，建立低碳效益評價模型；嚴冬等［29］分析了智能電網在低碳經濟環(huán)境下的發(fā)展情況；覃丹［30］從電網規(guī)劃建設的角度，分析配電網的節(jié)能降損及構建經濟型電網。

綜上所述，目前低碳電網建設相關研究，主要集中在宏觀政策層面、電網企業(yè)建設的具體措施。多位學者從電網規(guī)劃運行過程中影響碳排放、電網低碳化的技術路線等層面展開了研究。電網低碳化方面，單一通過低碳技術產生的低碳效益不足以建設低碳電網，只有在電網運營期間全面實現低碳化，才能全面建設低碳電網體系。

本文全面分析電網運營期間電力一次設備的碳排放現狀，引入電網設備碳排放的概念，并將此概念作為碳排放約束條件，引入電網規(guī)劃設計的一次設備選擇中去。

2 電力一次設備全壽命周期碳排放技術研究標準體系

根據電網設備全壽命周期中碳排放的核算工作結果，建立評價出廠前、運維與退役3個環(huán)節(jié)的設備碳排放標準體系，以指導設備采購、運維與回收工作，為電網企業(yè)提供碳排放方面的設備選型采購依據、運維計劃制定依據與退役后處理工作的依據，并引導電力設備供應鏈上下游企業(yè)的減排增效工作。

2.1 生產環(huán)節(jié)標準體系

建立評價電力設備生產環(huán)節(jié)的指標體系以指導電網企業(yè)對供應商設備的采購選型。該標準體系需評價電力一次設備原材料獲取生產、產品制造、運輸等環(huán)節(jié)中所產生的直接與間接碳排放行為的排放量、排放種類及其對環(huán)境的影響，同時也需將設備運行維護環(huán)節(jié)中的直接與間接碳排放的統計量納入標準體系范圍。

2.2 運維環(huán)節(jié)標準體系

建立評價電力設備運維環(huán)節(jié)的指標體系以用于指導電網企業(yè)自身的運維策略制定。該標準體系在以往設備狀態(tài)評價、檢修體系的基礎上，結合設備不同運行工況下與設備運維工作中碳排放的監(jiān)控與測算，從降低設備運維階段碳排放的角度指導設備運行方式調整、檢修周期與檢修項目制定、停電試驗與帶電檢測項目等的制定。

2.3 退役環(huán)節(jié)標準體系

建立評價電力設備退役環(huán)節(jié)的指標體系以指導設備（部件）退役后的報廢或回收工作。該標準體系用于評價不同種類、不同老損狀態(tài)的退役設備（部件）回收后的碳中和量，評價各種回收工藝的直接與間接碳排放，從而綜合衡量設備（部件）的回收價值，給出包含回收再利用、備用、報廢填埋等多種退役策略的選擇依據。

3 電力一次設備全壽命周期碳排放技術研究思路

根據電力設備全壽命周期中入網前、運維與退役3 個階段，考察每個階段在碳排放核算、碳排放監(jiān)測、碳排放減控、碳排放評價與碳排放管理應用5 個方面的研究內容。

3.1 碳排放核算

針對電力設備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放行為，制定碳排放核算方法，核定碳排放因子，實現碳排放指標的量化核算，為碳排放監(jiān)測、減控技術提供理論依據。

3.2 碳排放監(jiān)測

開發(fā)傳感器、數據統計平臺，實時監(jiān)測并統計電力設備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放。

3.3 碳排放減控

研究設備與材料低碳化優(yōu)化設計方案、替代方案，以向生產廠家進行低排放設備生產技術輸出；研究低碳控制輔助支撐技術，以減少設備運行中設備碳排放，延長設備使用壽命；研究設備回收再利用技術增加碳中和率。

3.4 碳排放評價

制定碳排放評價指標體系，對設備全壽命周期中碳排放種類、強度進行定量或定性的評價，同時評價碳排放減控手段的效果；開發(fā)碳排放檢測試驗裝置對設備排放達標進行校驗。

3.5 碳排放管理應用

建立設備入網前、退役階段設備碳排放評價軟件平臺與運維階段設備碳排放監(jiān)控平臺，形成全壽命周期碳排放減控輔助系統，為設備所在的電網企業(yè)及其上下游企業(yè)全壽命周期的碳排放行為提供可觀、可控、可交互的平臺。

碳排放框架如表1所示。

表1 碳排放全壽命周期階段與研究內容關系Table 1 Relationship between life cycle stages of carbon emissions and research contents

4 電力一次設備全壽命周期碳排放技術研究

4.1 研究框架

根據以上思路，整理出研究思路如圖1所示，將電力一次設備全壽命周期碳拜排放按階段分為入網前階段研究、運維階段研究、退役階段研究。

圖1 研究思路和框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of research idea and framework

4.2 主要研究內容

4.2.1 設備入網前碳排放減控技術

1）供應鏈碳足跡溯源與核算。研究設備（材料）在原材料獲取、部件生產、總裝制造環(huán)節(jié)中溫室氣體及其前體的排放量和能源消耗量的核算方法。

設備采購碳指標體系包括：①碳排放因子核定，核定設備（材料）在全壽命周期中所有碳排放行為折合成單位質量CO2的排放因子；②指標體系建立，針對電力一次設備在各個工藝環(huán)節(jié)碳排放行為，實現定量或定性評價。

2）設備入網前的碳排放監(jiān)控。基于電網設備（材料）的碳足跡測算方法，研制設備（材料）在原材料獲取、產品制造環(huán)節(jié)中階段碳排放的監(jiān)控計量裝置、工具或規(guī)范。

3）碳排放檢測廠內試驗技術。結合電力設備運行直接碳排放測量技術、設備運行損耗測量技術、設備老化試驗技術，形成碳排放型式試驗、出廠試驗的裝置與規(guī)程。

4）設備入網前設備碳排放評價軟件平臺。指運用物聯網技術與云計算或中央計算技術，實時對電網設備原材料獲取、產品制造與報廢處理環(huán)節(jié)的碳排放進行監(jiān)控與管理，依托人工智能技術提供碳排放減控、低碳材料設備選型的建議。

5）設備與材料低碳化優(yōu)化設計。指研究變壓器、輸電線路、GIS 等設備的降損技術與設備優(yōu)化設計技術，包括：SF6排放減控及環(huán)保氣體替代技術、電力設備低碳排放材料替代技術、電力設備優(yōu)化設計技術。

4.2.2 設備運維階段碳排放減控技術

1）運維階段碳排放核算。包括：①直接碳排放核算，根據設備材料化學組成、運行過程中的行為特征及環(huán)境影響，構建直接碳排放核算指標體系；②間接碳排放核算，基于電網企業(yè)使用、上網的能源類型及來源差異，研究電力設備正常或異常運行情況下輸配電損耗排放因子的核定方法。

2）運維階段碳排放標準體系。包括：①運行階段碳排放標準體系，根據碳排放核算結果，評價設備老化狀態(tài)、預估設備剩余壽命、設定碳排放監(jiān)測預警值；②維護與檢修階段碳排放標準體系，分析不同設備停電檢修、停電試驗等工作增加的碳排放量，根據評價結果，合理制定設備的檢修周期與試驗項目。

3）運維階段碳排放測控技術。包括：①直接碳排放測控技術，根據不同的測量手段，探索直接碳排放核算路徑，建立核算一級指標；②間接碳排放測控技術，研究使用電力、熱力及輸配電損耗排放因子的核定方法。

4）設備碳排放監(jiān)控平臺。結合電力設備直接與間接碳排放測控裝置與以往電力設備在線監(jiān)測、變電站/換流站SCADA 系統中電氣量的實時監(jiān)控等，對運維環(huán)節(jié)中碳排放進行實時及剩余壽命的監(jiān)控及評估。

5）低碳控制輔助支撐。對于設備正常運行階段，以變電站、換流站為單位，結合設備碳排放監(jiān)控平臺，在保障電網安全穩(wěn)定運行前提下給出運行建議，達到降低運行損耗，進而降低間接碳排放的目的。

6）碳排放現場試驗技術。結合電力設備運行直接碳排放測量技術、設備運行損耗測量技術、設備老化試驗技術，研究可在設備運行現場對其直接、間接碳排放量進行停電試驗或帶電檢測的技術，并形成碳排放各類試驗規(guī)程。

7）設備全壽命周期碳排放減控輔助系統。以變電站、換流站為單位，結合設備碳排放監(jiān)控平臺對設備老化程度、剩余壽命的評估結果給出建議，等效地降低因設備提前退役、重新生產而造成的額外碳排放。

4.2.3 設備退役階段碳排放減控技術

1）設備退役回收碳足跡核算。對設備回收過程中不同回收方式（如整體翻新、部件拆解、原材料熔煉等）、回收工藝進行碳溯源研究，明確回收過程中的碳排放行為的碳排放量、排放類型，并校核排放因子，綜合衡量不同回收過程中的碳排放量。考核不同回收方式所得回收產品、部件或原材料等效的碳中和量。

2）設備退役評價技術與指標體系。結合設備全壽命周期中的剩余壽命估計與運維階段的碳排放監(jiān)控技術，研究退役評價檢測技術、試驗裝置與標準判據，給出設備退役的判據與包含整體/部分回收再利用、冷/熱備用、報廢填埋等的退役方式的建議。

3）設備回收評價指標體系。根據設備退役回收碳足跡溯源結果，針對重點設備、重點材料提出可能的回收利用方案，評價各種回收工藝的直接與間接碳排放與回收設備碳中和量，從而綜合衡量設備（部件）的回收價值。

4）設備退役后碳排放監(jiān)控技術。對于退役階段的電力設備，①研發(fā)可檢測其退役后報廢處置等工藝產生的間接碳排放的裝置；②研發(fā)可檢測油氣等可能產生碳排放的廢棄物回收工藝中直接碳排放的裝置；③研發(fā)可評價設備材料回收再利用后碳中和量檢測評價的裝置。

5）設備退役后碳排放評價軟件平臺。開發(fā)設備退役后碳排放評價軟件平臺，形成對設備退役后碳排放實時的跟蹤、監(jiān)測與評價，指導電網企業(yè)對退役方式、回收廠商與回收工藝的選擇，達到提升設備退役后的碳中和量的目的。

5 結語

現階段國內外對低碳電網建設主要集中在宏觀層面，著重于電網企業(yè)的低碳化發(fā)展，將減排引入電網的規(guī)劃設計；然而，單一的通過低碳技術來建設低碳電網不足夠，只有從電能產生的源頭以及電網運營期間全面實現低碳化，才能使得低碳電網建設成體系。

本文分析電網運營期間的碳排放現狀，引入電力設備碳排放的概念，從電力一次設備全壽命周期出發(fā)，提出建立電力設備全壽命周期碳排放核算標準體系，給出了電力一次設備全壽命周期碳排放技術研究思路及研究框架。

電力一次設備全壽命周期碳排放技術研究框架，按入網前階段、運維階段、退役階段開展研究，給出了各個階段的研究內容與關鍵技術難點，為電力一次設備全壽命周期碳排放核算提供了詳細的研究思路。